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GATE DRIVE DEVICE

Patent code P180014865
File No. S2016-1106-N0
Posted date Apr 18, 2018
Application number P2016-166831
Publication number P2018-037723A
Date of filing Aug 29, 2016
Date of publication of application Mar 8, 2018
Inventor
  • (In Japanese)小原 秀嶺
  • (In Japanese)和田 圭二
Applicant
  • (In Japanese)公立大学法人首都大学東京
Title GATE DRIVE DEVICE
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To operate a gate drive circuit in response to an input signal the same as a case of one drive circuit even in a configuration of including a plurality of drive circuits.
SOLUTION: A gate drive device (2) includes signal generation means (35) for generating a signal that turns on any one of a first switching element (12a) and a second switching element (12b) in a plurality of gate drive circuits (12) connected in parallel and turns off the other. The signal generation means (35) generates a signal (35a) to control on and off of switching elements (12a, 12b) based on the quantity stored in storage means (32) in response to an input signal (23a).
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

電力の変換や制御を行うパワーエレクトロニクス分野において、半導体パワーデバイスのスイッチングが利用されている。このような、半導体パワーデバイスとして、下記の特許文献1に記載の技術が知られている。

特許文献1(特開2013-219874号公報)には、電力変換装置において、nチャネル型のMOSFETにより構成された2つのスイッチ素子(SW1,SW2)が使用され、上アーム側スイッチ素子(SW1)のソースに下アーム側スイッチ素子(SW2)のドレインが接続されるとともに、各スイッチ素子(SW1,SW2)のゲートに対して、ゲート駆動回路(GD1,GD2)が接続され、ゲートドライバ制御回路(GDCTL)からゲート駆動回路(GD1,GD2)に信号が入力されることで、スイッチ素子(SW1,SW2)がオン・オフされる構成が記載されている。特許文献1に記載の構成では、ゲートドライバ制御回路(GDCTL)に、マイコン等で生成された上アーム用制御信号(HIN)と下アーム用制御信号(LIN)が入力されると、入力された信号(HIN,LIN)に応じて、上アームドライバ用制御信号(HO1)と下アームドライバ用制御信号(LO1)が出力される。

特許文献1に記載の従来方式のゲートドライバでは、配線インダクタンスによりスイッチングによる電流の変化が急峻すぎると、過電圧、過電流が発生する。特許文献1等の従来技術では、ゲート抵抗でスイッチングによる電流の変化を緩やかにすることで過電圧等を抑えているが、ゲート抵抗は回路が組み上がった後は変更することができない。そして、最初はゲート抵抗が最適であっても、回路の動作状況(例えば、出力電流が大きい時と小さい時とで過電流の大きさが変わり、最適なゲート抵抗値も変わる)や、IGBTの使用状況(導通している電流値・印加電圧・発熱や素子の劣化等)によっては、最適でなくなることがある。すなわち、特許文献1に記載の技術では、回路の動作状況やIGBTの使用状況によっては、ゲート抵抗が最適でなくなり、過電圧等が発生する場合やスイッチング損失が増大する場合がある。

パワーエレクトロニクスでは、損失を低減するため、半導体パワーデバイスをスイッチとして動作させる。パワーデバイスの損失というのは、ある瞬間にパワーデバイスに印加されている「電圧」と流れている「電流」の「積」で計算される電力損失である。理想的なスイッチであれば、「スイッチオン時は電圧が0」、「スイッチオフ時は電流が0」なので損失は発生しないが、実際のパワーデバイスでは、ターンオンとターンオフには有限の時間がかかるため、電圧と電流が同時に存在する期間がある。スイッチング損失とは、ターンオンおよびターンオフの切換時に発生する損失で、一般的に、スイッチングが遅いほど、その損失が大きくなる。
つまり、上記の過電圧を抑えるために、ゲート抵抗を大きくしてスイッチングを遅くした場合、スイッチング損失が増えてしまう。スイッチング時に発生する過電圧、過電流とスイッチング損失はトレードオフの関係にある。

非特許文献1には、ゲートドライバ内で63個のCMOSドライバ(2つのスイッチ素子+ゲート駆動回路)を並列に接続して、IGBT等の負荷側の回路の使用状況に応じて、オン、オフするゲートドライバの数を変更することで、ゲート電流を変化させる技術が記載されている。例えば、ゲートドライバを1つのみオンにする場合と、ゲートドライバを10個オンにする場合で、ゲート電流を10倍にすることができる技術が記載されている。したがって、非特許文献1に記載の技術によれば、回路の動作状況やスイッチ素子の状態に応じてゲート電流を変化させることが可能である。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、半導体パワーデバイスをオン・オフさせる動作を行うゲート駆動装置に関し、特に、強電系の主回路を弱電系の信号を入力して制御するゲート駆動装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
半導体パワーデバイスのオン・オフを制御するゲートドライブ回路であって、第1の切替素子と、第2の切替素子と、を有し、前記第1の切替素子がオン且つ前記第2の切替素子がオフの場合に前記半導体パワーデバイスをオンにするゲート電圧を出力すると共に、前記第1の切替素子がオフ且つ前記第2の切替素子がオンの場合に前記半導体パワーデバイスをオフにするゲート電圧を出力するゲートドライブ回路と、
前記半導体パワーデバイスのオン・オフを切り替える入力信号が入力される入力手段と、
並列に接続された複数の前記ゲートドライブ回路に対して、前記各ゲートドライブ回路の切替素子のオン・オフを切り替える場合に、複数の前記ゲートドライブ回路の中でオン・オフにする個数を前記半導体パワーデバイスの特性に応じて予め記憶する記憶手段と、
並列に接続された複数の前記ゲートドライブ回路に対して、前記各ゲートドライブ回路における第1の切替素子および第2の切替素子のいずれか一方をオンにし且つ他方をオフにする信号を生成する信号生成手段であって、前記入力信号に応じて前記記憶手段に記憶された個数に基づいた前記切替素子のオン・オフを制御する信号を生成する前記信号生成手段と、
を備えたことを特徴とするゲート駆動装置。

【請求項2】
 
前記入力手段と前記記憶手段と前記信号生成手段とが設定された回路、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のゲート駆動装置。

【請求項3】
 
前記各ゲートドライブ回路の切替素子のオン・オフを切り替える場合に、予め設定された期間における前記ゲートドライブ回路の中でオン・オフにする個数の時間的な推移を予め記憶する記憶手段、
を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載のゲート駆動装置。

【請求項4】
 
前記半導体パワーデバイス、電力変換回路または負荷の動作状況を検知手段を用いて検知し、前記記憶手段および前記信号生成手段にフィードバックさせることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のゲート駆動装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2016166831thum.jpg
State of application right Published
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